Artikel
IDE442 MATERIALISEREN
2002
HET SNOWBOARD Snowboarden is een relatief jonge ontwikkeling in de wintersport. In 1964 werden hiermee al wel de eerste experimenten uitgevoerd, maar pas vanaf eind jaren zeventig wordt er wat serieuzer aan de verdere ontwikkeling van het board gewerkt. De meeste snowboarders gebruiken een ‘allround/ freeride’ board, aangezien dit het meest veelzijdige is. Het is geschikt voor poedersneeuw, de piste en stuntwerk. Het gewicht van het board zelf verloopt in het algemeen met de lengte. Echter, aangezien een zo laag mogelijk gewicht gewenst is, wordt het door de toepassing van lichtere (duurdere) materialen toch mogelijk lichtere boards te fabriceren. Belangrijke factoren van een board vormen het gewicht en de flexibiliteit. Hout is wat flexibiliteit betreft een zeer goed materiaal gebleken, maar laat qua gewicht en goedkope en eenvoudige vervaardigingstechnieken nog te wensen over. Er zijn reeds verschillende vervangers voor hout geprobeerd, maar na verloop van tijd verslechtert de flexibiliteit, waar hout die blijft behouden.
Figuur 1
Het doel van dit onderzoek is het analyseren van het ‘allround’ ofwel ‘freeride’ snowboard. Hierbij zal dieper ingegaan worden op materialen met een minimaal gewicht en met een flexibiliteit, die in de tijd niet mag verminderen. Naast aandacht voor het materiaal zal ook gekeken worden naar de verschillende vervaardigingstechnieken.
FUNCTIE Het goed functioneren van het gehele snowboard hangt af van het functioneren van zijn verschillende onderdelen. Een board is uit verschillende lagen opgebouwd, die elk hun eigen functie hebben. Het belag is de onderkant van het board dat in contact staat met de sneeuw, en moet daarom zo min mogelijk wrijving hiermee opleveren. Het schermt tevens de kern van het board af tegen krassen en stoten. De kern vormt de verbinding tussen de onder- en bovenlaag van het snowboard en zorgt voor de flexibiliteit van het board en dempt voor een groot deel de trillingen. In de kern is ruimte voor inserts voor de bindingschroeven, waarmee de bindingen die de schoenen fixeren worden vastgezet. Zowel de laag boven als onder de kern bestaat uit glasvezellaminaten, die zorgen voor de buigstijfheid en de torsiestijfheid van het board. Aan de zijkanten van het board zijn staalkanten bevestigd die grip geven in sneeuw en op ijs. Bovenop het board bevindt zich de toplaag waarop een afbeelding kan worden gedrukt. Deze laag beschermt de onderliggende lagen van het board tegen krassen, UV-straling en stootbelasting.
Figuur 2 Het snowboard is uit verschillende lagen opgebouwd. Van boven naar beneden: toplaag, glasvezelmat, houten kern met staalkanten, glasvezelmat en belag.
GEOMETRIE De vorm van een snowboard is afhankelijk van de wijze van gebruik. Dit varieert met de ervaring, voorkeur en het gewicht van de gebruiker. De voorkant wordt van het board de ‘nose’ genoemd en de achterkant ‘tail’. Het gewicht bepaalt onder andere de lengte van het board. Hoe zwaarder een snowboarder is, hoe meer krachten er verdeeld moeten worden, dus hoe langer het board moet zijn. Daarnaast zorgt een groter
© Faculteit Industrieel Ontwerpen
1
Technische Universiteit Delft
Artikel
IDE442 MATERIALISEREN
2002
oppervlak op gelijke wijze voor meer drijfvermogen in poedersneeuw. De breedte van het board bepaalt hoe snel je van kant kan wisselen: hoe smaller het board, hoe sneller dat kan. Als het board op het belag neergelegd wordt raakt het de grond op twee punten, bij de nose en bij de tail, en komt in het midden los van de grond. Dit heet ‘camber’ en wordt veroorzaakt door de voorspanning van het board. Deze voorspanning zorgt ervoor dat als het board wordt belast, het gewicht over de hele kant wordt verspreid.
Figuur 3 Camber
Met de ‘flex’ van een snowboard wordt de veerkracht bedoeld. Dit uit zich in de soepelheid waarmee het board terugspringt in de originele toestand, nadat hij door de voorspanning is heen gedrukt. Als een board in de bocht teveel of te weinig door de camber heen gedrukt wordt, wat voor een deel bepaald wordt door het gewicht van de gebruiker, wordt het board moeilijk bestuurbaar. Maar een ervaren snowboarder kan een voor zijn gewicht te stijf board toch berijden. De flex kan onderverdeeld worden in buiging (flex in de lengterichting van het board) en torsie (flex om de lengteas van het board). De mate en het verloop in flexibiliteit in de lengterichting, de buigstijfheid, wordt bepaald door de kern, de gebruikte laminaten en de dikte van het board op die plaats. Waar het board dik is, zal het minder buigen dan op de dunne gedeelten, zoals de nose en tail. Aan de hand van een buigproef heeft DSM de buigstijfheid bepaald. Dit gaf een buigstijfheid van 2,3 * 10 8 Nmm 2 in het midden van een snowboard. Als een snowboard op zijn kant wordt gezet in de bocht, wordt het aan een zijde belast, waardoor torsie optreedt. Een hoge torsiestijfheid is met name belangrijk voor controle onder hoge snelheden. De torsiestijfheid is in een torsieproef van DSM bepaald. De torsiestijfheid van de huidige snowboards komt op 1,6 * 10 8 Nmm 2 . De doosvormige constructie van het snowboard en het hout in de kern leveren een grote bijdrage aan de torsiestijfheid. P
P
P
P
P
P
P
P
MATERIALEN Het snowboard is opgebouwd om zijn kern. De kern kan gemaakt worden van hout, schuim, ‘honeycomb’panelen of combinaties hiervan. Hout is het meest gebruikte materiaal voor de kern, omdat het van nature al een veerkracht en stijfheid heeft die goed overeenkomen met de gewenste eigenschappen van een Figuur 4 Systematische doorsnede van snowboard snowboard. De meeste kernen zijn opgebouwd uit verticaal gelamineerde strips, maar er zijn er ook die samengesteld zijn uit horizontaal aan elkaar gelijmde lagen hout. Hierdoor kunnen de verschillende eigenschappen van hout gecombineerd worden. Ook kan een kern gemaakt worden van polyurethaanschuim (PUR). De kern wordt dan uit een blok schuim gefreesd of het schuim wordt in de mal geïnjecteerd tijdens het lamineren. Een schuimkern heeft als voordeel dat het licht van gewicht is en een uniforme kwaliteit heeft. Het heeft echter van zichzelf geen goede eigenschappen voor een snowboard: alle veerkracht en stijfheid moet uit het gebruik van composieten komen. Het wordt daarom ook voornamelijk toegepast bij goedkope snowboards.
© Faculteit Industrieel Ontwerpen
2
Technische Universiteit Delft
Artikel
IDE442 MATERIALISEREN
2002
Zowel de laag boven als onder de kern bestaat uit glasvezellaminaten. Glasvezellaminaten zijn verkrijgbaar met verschillende vezelrichtingen en dichtheden, deze zijn op elkaar gestikt met glasvezeldraad zodat de vezels in één vlak liggen. Momenteel wordt er onderzoek gedaan naar het gebruik van hennep als milieuvriendelijk alternatief voor glasvezel. Elk snowboard heeft een belag gemaakt van polyethyleen: een slijtvast materiaal met een lage wrijvingscoëfficiënt. Polyethyleen komt voor in veel varianten; deze worden gekarakteriseerd door het aantal koolstofatomen per molecuul, wat het moleculair gewicht bepaalt. Aan de zijkanten van het belag zijn de staalkanten bevestigd. Deze kanten zijn gemaakt van staal met een hoog koolstofgehalte. Het is hiermee het hardst, sterkst en minst taai van alle carbonstalen, het wordt bijna altijd gebruikt in geharde uitvoering en daardoor is het zeer slijtagevast en kan het een scherpe snijkant behouden. De toplaag gemaakt uit ABS of nylon is krasvast, licht, bestand tegen vrieskou, en goed te lijmen zijn met epoxy. Om het gewicht niet onnodig te verhogen moet het materiaal tot een dunne film (300 - 600 micron) te vormen zijn. Door het gebruik van stabilisatoren (door bijvoorbeeld het aanbrengen van een polyurethaanlak) kan de toplaag beschermd worden tegen de UV-straling en het intense licht in de bergen. Sommige fabrikanten leggen een unidirectioneel lint van carbon van tip naar tail door het midden van het board. Hierdoor wordt de torsiestijfheid niet beïnvloed, maar alleen de buigstijfheid. Het heeft een veel hogere treksterkte dan glasvezel en is in verhouding veel lichter, maar ook duurder. Tijdens het snowboarden onstaan veel vibraties. Om dit op te vangen worden rubberen strips op de staalkanten gelegd. VERVAARDIGING De drie meest gangbare manieren om snowboards te bouwen zijn de volgende: Pre-cured sandwich, Cap Construction en RIM (Reaction Injection Molding). De meeste fabrikanten hebben meer dan tien modellen in de collectie, elk met andere eigenschappen. Hierdoor zijn de productieaantallen per model beperkt. Het stapelen van de verschillende lagen in de cassettes is op dit moment nog handwerk en erg moeilijk te automatiseren. De ‘Pre-cured Sandwich’ is een van de meest gebruikte bouwwijzen. Hij is gemakkelijk te herkennen aan het gebruik van ‘side-walls’: strips van ABS die, van de zijkant gezien, tussen de bovenste lagen en de staalkanten zitten. Er zijn twee werkwijzen te onderscheiden: de epoxy kan op de nog droge laminaten worden aangebracht (natte methode) of er wordt gewerkt met ‘prepregs’ (in epoxy voorgedrenkte glasvezelmatten). Het board wordt van onderaf in een metalen mal opgebouwd. Het geheel wordt in een pers samengedrukt en verhit totdat de epoxy is uitgehard. Als het board uit de pers komt moet het restmateriaal verwijderd worden. Een groot voordeel van dit proces is dat het vrij goedkoop is. Een nadeel is dat het materiaal op sommige plekken onregelmatigheden kan vertonen, waardoor zwakke plekken ontstaan.
Figuur 5 Sandwich construction
Figuur 6 Cap construction
De ‘Cap Construction’ is voor een groot deel vergelijkbaar met de ‘Pre-cured Sandwich’ constructie, maar heeft geen ‘side-walls’: de toplaag loopt vanaf de kern met een afgeronde
© Faculteit Industrieel Ontwerpen
3
Technische Universiteit Delft
Artikel
IDE442 MATERIALISEREN
2002
hoek naar de staalkant. Deze hoek is vrij belangrijk: bij een te scherpe of een te oppervlakkige hoek kunnen luchtgaten dan wel kwetsbaarheid bij het raken van een obstakel ontstaan. Door de verkregen u-vorm in de toplaag wordt ook meer stijfheid in het board verkregen (zowel buigals torsiestijfheid). Een nadeel is de grotere moeilijkheid om reparaties uit te voeren. De ‘RIM-methode’ verschilt behoorlijk ten opzichte van de vorige twee: er wordt namelijk geen pers gebruikt. Na het aanbrengen van de lagen in de mal met hoge zijkanten wordt een hars in de ontstane open ruimte gespoten. Dit lijmt de delen van het board aan elkaar. Deze bouwwijze is schoner en heeft minder restmateriaal in vergelijking met de bouwwijzen die epoxy gebruiken. Een voordeel is dat deze methode goedkoop is, maar de kern is niet altijd helemaal egaal en bevat soms luchtbellen. Hierdoor ontstaan soms problemen met lagen die van elkaar loslaten. CONCLUSIES EN DISCUSSIE Dit onderzoek betreft slechts de analyse van het snowboard. Materialen Er wordt volop onderzoek naar alternatieven voor de verschillende materialen gedaan om bijvoorbeeld tot een lichter of goedkoper board te komen. Het perfecte snowboard bestaat niet als gevolg van grote diversiteit in de wensen van de gebruikers en de gebruikers. Er is nog geen goedkoper alternatief gevonden voor de kern met dezelfde eigenschappen als hout. Wel wordt er geëxperimenteerd met het toevoegen van andere materialen. Door het gebruik van bijvoorbeeld honeycomb op plaatsen waar stijfheid minder van belang is kan op het gebied van gewicht winst geboekt worden. Door de toevoeging van, zeer stijf en licht, koolstofvezel hoeft het hout minder stijfheid te leveren aan het board, zodat er minder hout gebruikt hoeft te worden. Er zijn tegenwoordig technieken om teflon aan polyethyleen te binden. Met een belag van teflon zou een snelle, wrijvingsarme en onderhoudsarme base gemaakt kunnen worden die wel met epoxy te binden is. VERVAARDIGING De huidige fabricagemethoden betreffen seriefabricage maar geen massafabricage. Door relatief kleine series en de steeds evolueren technologie dient er een zeer flexibel fabricageproces toegepast te worden. Dat zorgt ervoor dat er continue aanpassingen van machines zijn nodig om in deze zeer vernieuwende bedrijfstak mee te komen. Massaproductie is dus niet zinvol. BRONNEN Afstudeerverslag Rekko, D.H.E.M. , Ontwerp van een thermoplasttisch snowboard”, april 1995 – oktober 1995, i.s.m. DSM en Raytec.
Tijdschriften Transworld Snowboarding november 1998 Plastics Engineering, january 1998
Experts Prof. Spoormaker: Begeleider van het onderzoek en expert op het gebied van kunststoffen Ir. Maarten Labordus, werkzaam bij de TU Delft, Faculteit Lucht- en Ruimtevaart, centrum voor Lichtgewichtconstructies TUD-TNO
Websites HTU
HTU
HTU
HTU
http://twsnow.com/gear/97/951.html , How Boards Are Made (6-12-2001) http://www.theboarderline.com (29-11-2001) http://www.hotsnowboards.com http://www.nitro-snowboards.com UTH
UTH
© Faculteit Industrieel Ontwerpen
UTH
UTH
4
Technische Universiteit Delft
Artikel
HTU
HTU
HTU
HTU
IDE442 MATERIALISEREN
2002
http://www.k2snowboards.com http://www.priorsnowboards.com http://www.snowboardmaterials.com http://www.acg.co.uk , Advanced Composites Group UTH
UTH
UTH
UTH
© Faculteit Industrieel Ontwerpen
5
Technische Universiteit Delft
